Doppler Optical Coherence Tomography di circolazione retinica

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Summary

Totale flusso ematico retinico viene misurata mediante tomografia a coerenza ottica Doppler e semi-automatizzata del software di classificazione.

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Tan, O., Wang, Y., Konduru, R. K., Zhang, X., Sadda, S. R., Huang, D. Doppler Optical Coherence Tomography of Retinal Circulation. J. Vis. Exp. (67), e3524, doi:10.3791/3524 (2012).

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Abstract

Senza contatto retiniche misure di flusso del sangue vengono eseguiti con un dominio di Fourier tomografia di coerenza ottica (OCT) usando un sistema circumpapillary circolare doppia scansione (CDCS) che scansiona attorno alla testa del nervo ottico alle 3,40 mm e 3,75 mm di diametro. I cerchi concentrici doppi vengono eseguiti 6 volte consecutivamente oltre 2 sec. La scansione CDCS viene salvato con le informazioni Doppler dal quale il flusso può essere calcolato. Il protocollo standard clinico richiede per 3 CDCS scansioni effettuate con il fascio ottobre passante per il bordo superonasal della pupilla e 3 CDCS eseguire la scansione attraverso la pupilla inferonal. Questo doppio-angolo protocollo garantisce che accettabile Doppler angolo si ottiene, per ogni nave ramo della retina in almeno 1 scansione. I dati di scansione CDC, un 3-dimensionale volumetrica ottobre scansione della scansione disco ottico, e una fotografia a colori del disco ottico sono utilizzati insieme per ottenere la misurazione del flusso di sangue della retina in un occhio. Abbiamo sviluppato un software di flusso di sangue di misura chiamata "Doppler otticaal tomografia a coerenza di circolazione retinica "(DOCTORC). Questo semiautomatico software viene utilizzato per misurare il flusso totale di sangue retinale, zona vaso sezione trasversale, e la velocità media del sangue. Il flusso di ciascun recipiente viene calcolato lo spostamento Doppler in croce vaso area in sezione e l'angolo Doppler tra la nave e il fascio Ottobre totale retinica misurazione del flusso sanguigno è riassunto dalle vene intorno al disco ottico. I risultati ottenuti nel nostro lettura Doppler Ottobre centro mostrato una buona riproducibilità tra livellatrici e metodi (<10% ). Totale flusso ematico della retina potrebbe essere utile nel trattamento del glaucoma, altre malattie retiniche, e malattie retiniche. In pazienti affetti da glaucoma, ottobre retinica misurazione del flusso sanguigno era altamente correlata con perdita del campo visivo (R 2> 0,57 con deviazione configurazione di campo visivo) . Doppler OCT è un nuovo metodo per effettuare la misurazione rapida, senza contatto, e ripetibile del totale flusso ematico retinico utilizzando ampiamente disponibili Fourier-domain ottobre instrumentation. Questa nuova tecnologia può migliorare la praticità di fare queste misurazioni negli studi clinici e la pratica clinica di routine.

Protocol

1. Protocollo di testo

  1. I pazienti vengono sottoposti a scansione RTVue Fourier-domain tomografia a coerenza ottica (OCT) sistema (Optovue Inc., Fremont, CA, USA) utilizzando il circumpapillary doppio circolare scansione (CDCS) e la scansione 3D disco ottico.
    1. Il modello CDCS costituito da due cerchi concentrici attorno alla testa del nervo ottico. Il diametro dell'anello interno è 3,40 millimetri e il diametro dell'anello esterno è 3,75 millimetri. Questo modello transetti tutte le arterie e le vene retiniche Sedi provenienti dalla testa del nervo ottico. I due cerchi vengono eseguite 6 volte in una singola scansione a coprire circa 2 cicli cardiaci. Per calcolare la velocità di flusso, Doppler e Doppler verranno stimati in nave rilevato nell'immagine ottobre (Figura 1a, figura 1b)
    2. Un "doppio angolo" protocollo è utilizzato per acquisire le scansioni Doppler ottobre Nel protocollo "dual-angle", 3 scansioni sono ottenuti con il fascio ottobre passando attraverso la porzione superonasal della pupilla e 3 scansioni attraverso il por inferonasale zione.
    3. La qualità di ogni ciclo è valutato per la potenza del segnale, errori di movimento, e l'angolo Doppler. Il tecnico è tenuto a ri-fare una scansione che non ha superato il controllo di qualità. Un totale di 6 scansioni accettabili CDCS vengono eseguite per ciascun occhio. Il protocollo "dual-angle" garantisce che, per ciascuna nave, almeno metà delle scansioni forniscono buoni angoli Doppler.
    4. Il modello 3D dischi con scansione è una scansione raster copre una regione millimetri 6x6 attorno al disco ottico. E 'fatto solo una volta e fornisce una dettagliata immagine en face di questa zona. (Figura 1b)
    5. Una fotografia a colori del disco ottico è importato anche per aiutare a distinguere le arterie e le vene.

Figura 1
Figura 1a. Misurazione del flusso totale di sangue con il circumpapillary doppio circolare scansione e la scansione del disco 3D utilizzando DOCTORC.

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  • L'angolo Doppler è l'angolo tra il fascio sonda e vettore normale della nave, e il segnale Doppler è lo spostamento di frequenza Doppler proporzionale alla velocità del flusso componente parallela all'asse del fascio sonda. Così velocità di flusso può essere stimata in angolo e Doppler del segnale Doppler. Tuttavia, sia l'angolo Doppler e Doppler del segnale diventano inaffidabili quando sono al di sotto del livello di rumore. D'altra parte, quando Doppler angolo è grande, lo spostamento Doppler sarà fuori del range misurabile. Quando l'angolo Doppler è appropriato, circa 5-15 gradi per l'FD-OCT sistema utilizzato in questo studio, la velocità di flusso può essere stimato correttamente spostamento Doppler e angolo.
  • Figura 1
    Figura 1b.

    1. L'angolo Doppler in ciascun recipiente viene misurata dalle posizioni relative della nave lumina in two circolare concentrico scansioni. La componente assiale della velocità del flusso si ottiene lo spostamento Doppler misurata dalla fase relativa adiacenti ottobre scansioni assiali. La velocità del flusso totale viene calcolato dal componente flusso assiale e l'angolo Doppler. Il flusso in ciascun recipiente viene poi calcolata integrando il profilo di velocità totale sul vaso sezione trasversale. Il modello di nave è abbinato all'immagine en face del 3D scansione del disco e la fotografia del fondo oculare per identificare ogni nave sia come una vena o un'arteria. Il flusso totale retinica è calcolato sommando il flusso nelle vene retiniche principali, cioè., Quelli con diametro luminale sopra 33 um.
    1. Tutte le scansioni del stesso occhio vengono esportati come dati grezzi utilizzando il software RTVue. Le immagini crude ottobre, tra cui sia Doppler e l'intensità, le immagini vengono prima testati per la qualità dell'immagine utilizzando "tomografia a coerenza ottica Doppler della circolazione retinica" (DOCTORC) software.
      1. I movimenti oculari sono misuratirato per la deviazione standard pool della membrana limitante interna e la differenza massima tra due fotogrammi che è stimato dal movimento di massa.
      2. Potenza del segnale (riflettanza e la stima della media angolo Doppler) sono calcolati.
      3. Secondo il movimento degli occhi e media potenza del segnale delle scansioni ripetute, i dati vengono classificati come "buono" o "poveri" in qualità. Qualità dei dati solo il bene sono classificati.
    2. Per le scansioni accettabili, un algoritmo di segmentazione automatica viene applicata a ogni immagine ottobre per il rilevamento nave.
      1. Un algoritmo automatico che corrisponde navi viene utilizzato per localizzare la nave stessa in ogni frame. Le cornici sullo stesso cerchio sono registrati, e due frame medi di l'anello interno e l'anello esterno sono creati. Sia la riflessione e le immagini Doppler sono nella media.
      2. Per una panoramica, la nave rilevato viene proiettata come un segmento di linea sulla en face immagine fondo calcolata a partire dalla scansione dei dischi 3D.
      3. Livellatrici riesame ogni nave su una piccola porzione dei telai mediate anello interno ed esterno ricoperti di un cerchio che rappresenta il risultato della segmentazione automatica.
        1. I giudici grader se la posizione, diametro del vaso, e tipo di nave (vena / arteria) abbinata alla nave i due anelli sono corretti secondo l'immagine di Office, en face ottobre immagine, e la fotografia del disco lo stesso occhio.
        2. Il selezionatore è permesso di modificare i valori di cui sopra, se lo ritiene necessario. Il grader giudica anche la qualità del segnale Doppler nel vaso e dà un punteggio personale di fiducia per l'etichetta nave a ogni scansione.
        3. Un punteggio di 0-5 la fiducia è dato automaticamente ad ogni nave in base alla forza del segnale Doppler nella zona serbatoio. Viene quindi manualmente corretto dal classificatore basato sulla resistenza del recipiente segnale Doppler, regolarità di confine nave, accordo tra anello interno ed esterno di dimensioni del vaso, e firmare accordo Dopspostamento accoppiatore tra gli anelli interni ed esterni.
      4. Dopo tutte le navi sono verificati e corretti, un algoritmo automatico viene applicata per calcolare il flusso di sangue di ciascun vena con un metodo adatto nella nostra pubblicazione precedente. 1
        1. Il segnale Doppler è integrato sull'area nave e quindi calcolata la media tra tutti i frame. Allora il flusso Doppler è calcolato come il segnale somma Doppler diviso per l'angolo Doppler.
        2. Per ogni nave, 6 scansioni vengono valutati sui punteggi di confidenza soggettivi, angoli Doppler, e coefficiente di variazione degli angoli Doppler. Il flusso di una vena è considerata valida solo se più di 1 scansione supera il controllo di qualità. Per le navi che passano il controllo di qualità, il flusso è in media tra scansioni validi.
        3. Per vaso con risultati non validi, il flusso è stimato utilizzando l'area nave e la velocità di flusso medio da vene validi. La velocità di flusso medio è calcolato sommando i flussi nelle vene validi e dividendodalle aree sommati di tali vene. La stima del flusso inizia dalla velocità media del flusso e viene corretta per la dipendenza della velocità del flusso sulla zona vaso. Grandi navi hanno una velocità più alta portata media. Così la correzione viene eseguita in base alla pendenza del diametro medio di velocità contro nave, 2.13, che abbiamo riportato in precedenza 2.
        4. La portata calcolata di vene validi e il flusso stimato di vene non validi vengono aggiunti per determinare il flusso totale di sangue retinica.
        5. Il risultato complessivo retinica flusso di sangue viene valutata sulla base della percentuale valido zona venosa, movimento degli occhi, e la forza del segnale.
        6. Superficie venosa e superficie totale arteriosa sono anche ottenuta sommando le aree dei vasi. Supponendo che il flusso totale di sangue della retina è lo stesso nelle arterie e nelle vene, le velocità arterioso e venoso è calcolato dividendo il flusso totale di sangue con zona arterioso e venoso zona.

      2. Risultati rappresentativi

      www.aigstudy.net ). 48 occhi sono stati esaminati dal protocollo "dual-angle" e scansioni prodotti che hanno superato il controllo di qualità delle immagini. Utilizzando il software DOCTORC, misure di flusso valide potrebbero essere ottenuti dal 83% degli occhi.

      Per valutare la riproducibilità del sistema DOCTORC, altro dataset piccolo con 20 occhi è stata classificata da 3 livellatrici. Questo set di dati è stato anche utilizzato per addestrare e testare livellatrici. 2 livellatrici utilizzato il semi-automatizzato software DOCTORC e 1 usato un software precedente totalmente manuale impiegati in pubblicazioni precedenti. 2,3 Il totale dei flussi sanguigni retinici (Tabella 1) determinate dai due livellatrici utilizzando software DOCTORC sono simili tra loro e di fluire tariffe determinate dal grader altro utilizzando il manuale del software. Solo il 65% degli occhi ha ottenuto risultati validi perché alcune delle tche i dati non erano basate su protocollo doppia inclinazione, ma protocollo angolo singolo. 2 Il protocollo angolo singolo comprende cinque scansioni Doppler ottenuta con il fascio ottobre passante per il centro della pupilla. Quindi l'angolo Doppler è più spesso piccolo e quindi una parte maggiore di navi sono di solito non biodegradabile.

      Per tutti gli alunni, la riproducibilità inter-grader, misurata dal coefficiente di variazione, è simile per entrambi gli occhi glaucomatosi e normali (Tabella 2). Analogamente, le misurazioni di riproducibilità per i due metodi, il software e DOCTORC Manual, 1-5 sono simili (Tabella 2). Per tre selezionatori, una buona correlazione esistente tra il flusso di sangue totale e la deviazione dal modello standard test del campo visivo (Figura 2) per gli occhi glaucomatosi.

      DOCTORC software Manuale software 3
      Condizione Grader 1 Grader 2
      Normale 47,0 ± 9,1 48,7 ± 7,2 48,0 ± 6,5
      Glaucoma 36,5 ± 5.5 36,7 ± 5,9 34,9 ± 5,1

      Tabella 1. Totale flusso di sangue della retina con 2 software diversi.

      </ Tr>
      Coefficiente di variazione
      Glaucoma (7 occhi)
      Grader Grader 1 vs 2 (DOCTORC) 9,58%
      DOCTORC vs manuale metodo 3
      Grader 1 8,00%
      Grader 2 9,74%
      Normale (6 occhi)
      Grader Grader 1 vs 2 (DOCTORC) 5,99%
      DOCTORC vs metodo manuale
      Grader 1 8,87%
      Grader 2 9,98%

      Tabella 2. Riproducibilità delle misurazioni di flusso totale di sangue della retina.

      Figura 2
      Figura 2. Correlazione tra Totale flusso di sangue della retina e del campo visivo nel glaucoma. Una. Grader 1 utilizzando il software DOCTORC. Perdita del campo visivo è riassunta damodello di deviazione standard (p = 0,048). b. Grader 2 utilizzando il software DOCTORC. Perdita del campo visivo è riassunta dalla deviazione modello standard (p = 0,032).

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    Discussion

    Alterazioni del flusso di sangue si verificano nel glaucoma e malattie vascolari della retina come la retinopatia diabetica. 6-10 misurazione volumetrica del flusso ematico retinico fornisce preziose informazioni circa il processo di malattia. 4-6,11,12 DOCTORC fornisce un modo pratico per stimare retinica totale il flusso di sangue in base alle misure in vasi singoli determinati dal Doppler ottobre con il doppio pattern di scansione cerchio. 1-5

    La media del flusso ematico totale della retina misurato con Doppler PTOM occhi normali è 47-49 microlitri / min, paragonabile a valori di letteratura di 34-65 microlitri / min ottenuti con laser Doppler. 13,14 Doppler ottobre misurazioni effettuate con il nuovo semi- automatizzata del software DOCTORC concordato in stretta collaborazione con i risultati delle misure manuali che abbiamo pubblicato in precedenza. 1-5 Il differenza tra le misure DOCTORC e misure manuali in singoli casi, misurate in CV, è simile a inter-grader differenze. Ciò indica che la differenza era principalmente associata porzione personale del processo di classificazione, e non la differenza tra software. Con il metodo manuale e DOCTORC, misuriamo le vene solo con diametro maggiore di 33 micron. Vene con diametro inferiore a 33 micron in genere non erano rilevabili con DOCTORC. Queste vene costituiscono solo una piccola porzione della superficie venoso totale (0,2%), e contribuiscono anche meno al flusso totale di sangue retinale, poiché la velocità di flusso in questi vasi è inferiore in grande recipiente. 2 Così, la differenza tra inclusi e escluso vasi molto piccoli non è significativo per la determinazione del totale flusso ematico della retina. L'elevata correlazione tra le prove del campo visivo e il totale dei flussi sanguigni della retina è d'accordo con il nostro risultato precedente, che indica uno stretto legame tra perfusione e della funzione visiva. Glaucoma occhi anche il flusso sanguigno significativamente più basso rispetto ai gruppi normali, che concorda con altri studi. 15-17 </ Sup> Così totale flusso ematico della retina determinato DOCTORC saranno utili nella diagnosi e nel monitoraggio della progressione del glaucoma. Oltre alle misurazioni del flusso di sangue, DOCTORC fornisce anche un'area nave e misure di velocità delle navi, che possono anche essere utili nella clinica.

    Altre tecniche sono disponibili anche per misurare il flusso di sangue della retina, ma ognuno ha alcune limitazioni. Laser Doppler bisogno di molte misure oltre una lunga sessione in quanto testa una sola nave alla volta. Ecografia color Doppler valuta la velocità solo nei più grandi vasi retrobulbari, e non è possibile determinare il flusso volumetrico del sangue. Doppler ad ultrasuoni risultati variano a seconda dell'operatore e anatomia soggetto. La variabilità rende problematico il confronto dei risultati tra i soggetti e centri di studio. 18 Questi strumenti sono anche costoso e disponibile solo in centri di ricerca più importanti. Altre tecniche come la fluoresceina e il verde di indocianina angiografia endovenosa richiedono injection, e non forniscono risultati quantitativi. Fourier di dominio (o dominio spettrale) Ottobre è popolare in oftalmologia e l'aggiornamento del software sono richiesti solo per consentire la misura del flusso di sangue Doppler in queste apparecchiature. Il nostro metodo Doppler ottobre è l'unico mezzo per misurare il flusso di sangue con clinicamente disponibili FD-ottobre strumenti. Il costo relativamente basso e la prevalenza di questa strumentazione rendono possibili grandi studi multicentrici di flusso ematico retinico in salute e malattia.

    Ci sono diverse limitazioni per la versione attuale di DOCTORC. Il processo di classificazione non è ancora completamente automatizzato, e il tempo di classificazione di un occhio è fino a 30 min. Questa volta classificazione è accettabile per i grandi studi clinici di scala, ma non abbastanza veloce per tutti i giorni uso clinico. Misura diretta del flusso arterioso non è disponibile per DOCTORC perché il tasso di portata ad alto contenuto di arteria è al di là del campo di misura del sistema selezionato ottobre con una velocità di 26.000 a-scans/sec. Faster ottobre sistemi would consentire la misurazione del flusso arterioso. Circa il 17% degli occhi esaminati non ha dato valida misurazione del flusso sanguigno a causa di poveri angoli Doppler sulle navi grandi.

    In sintesi, mettiamo a disposizione un metodo pratico per misurare il flusso totale di retina sangue con un disponibile in commercio di Fourier-domain strumento ottobre Avrà applicazioni larghe per nervo ottico e patologie retiniche, come il glaucoma, retinopatia diabetica, e non-arteritica neuropatia ottica ischemica.

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    Disclosures

    Il dottor Huang riceve la concessione di aiuti, regalità brevetto, stock option, il supporto e le spese di viaggio per conferenze da Optovue, Inc., il dottor Tan e il dottor Wang riceve regalità brevetto e sovvenzioni da Optovue, Inc., il dottor Koduru e il dottor Sadda ricevuto sovvenzioni da Optovue.

    Acknowledgments

    Questo studio è sostenuto da NIH sovvenzione RO1 013.516 e un Optovue forma di sovvenzione.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    RTVue Fourier Domain optical coherence tomography Optovue N/A Version 6.1.0.21 or higher Installed with blood flow double ring scan pattern

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

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